太陽能熱發電項目支架隔熱層厚度優化研究

劉 靜,修恒旭

(中國船舶重工集團新能源有限責任公司,北京 100095)

0 引 言

隔熱支架在化工領域應用較為廣泛,不僅可以有效避免管道與支架的直接接觸,還在減少散熱損失的同時起到保護鋼支架結構強度的作用。然而在電力領域,隔熱支架的應用卻較為罕見。某儲熱型太陽能熱發電項目的導熱油管道隔熱支架由某化工設計院依據化工領域中的常規設計方案進行設計。但設計院所選取的隔熱層厚度不盡合理,有必要對隔熱層厚度進行優化。

由于選用的隔熱支架設計溫度較高(溫度大于550 ℃),而給定的散熱損失較小(散熱損失取80 W/m2),因此項目現場實際需要消耗大量的硅酸鈣。但是,項目現場的管道溫度限制并不會超過393 ℃,所使用的硅酸鈣厚度存在很大的余量,增加了投資成本,因此對保溫層進行重新計算很有必要。目前已有學者對隔熱支架的傳熱過程進行了研究[1-2],該文提出一種工程中較適用的一種計算方法。

1 隔熱層厚度優化原則

1.1 隔熱管道支架形式

圖1為隔熱支架外形圖,其中剖面線部分是硅酸鈣保溫層,其余為Q235B制成的鋼制支架,支架與硅酸鈣保溫層接觸部分對應的圓心角為120°。每個支架包含兩個硅酸鈣保溫帶,即保溫帶A和B。管道支架的底板與混凝土基礎之間鋪設一層聚四氟乙烯板,可以起到隔熱和自潤滑作用,滿足管道受熱后軸向膨脹的要求。

圖1 隔熱支架外形圖

1.2 優化原則

對管道支架的硅酸鈣隔熱層厚度進行計算,在不影響工藝要求的基礎上,獲取管道的最佳經濟厚度。優化原則如下:

1)給定管道的硅酸鈣隔熱層厚度,計算出每種支架的硅酸鈣體積和投資成本;

2)計算出不同硅酸鈣厚度條件下的表面散熱量,將散熱量轉化為電價,計算出電價損失;

3)找出壽命期內損失電價和硅酸鈣投資成本之間的平衡點,該值對應的硅酸鈣隔熱層厚度就是硅酸鈣的最佳經濟厚度。

優化方案以硅酸鈣保溫層厚度為0時的投資成本作為基準點,以硅酸鈣的厚度作為變量(每次遞增10 mm),計算出硅酸鈣不同厚度情況下所減少的凈現值。當凈現值最大時,則認為該凈現值對應的硅酸鈣厚度為最佳經濟厚度。

2 隔熱層厚度優化

2.1 優化的邊界條件

導熱油管道支架保溫厚度計算參數選擇見表1。

表1 保溫厚度計算參數

管道外徑分別按1 219、1 118、1 016、965、914、864、762、711、660、610、508、457、406、357、325、273、219、168、114、89 mm考慮。

2.2 優化過程

2.2.1 熱阻及傳熱量計算

管道支架保溫層導熱由三部分組成:硅酸鈣保溫層導熱、鋼制支架導熱、支架底座與空氣對流換熱。

1)硅酸鈣保溫層導熱[3]。保溫層包裹在管道上,因此該部分為圓筒導熱。其熱阻1/K1可以采用下式計算:

(1)

式中:D為管道外徑;D1為硅酸鈣外表面直徑;λ1為硅酸鈣導熱系數。

2)鋼制支架導熱[4]。鋼制支架上側和硅酸鈣通過圓弧面接觸,下側和混凝土基礎通過底板平面接觸,形狀不規則。由于鋼的導熱系數是硅酸鈣導熱系數的333倍,所以熱阻主要存在于硅酸鈣保溫層中,因此可以將底部的鋼制支架近似看做平板導熱,其導熱熱阻1/K2采用下式計算:

(2)

式中:δ為支架總厚度(硅酸鈣外表面和鋼制支架底板的距離);λ2為鋼導熱系數。

3)支架底座與空氣對流換熱。 空氣流速對于對流換熱產生很大影響,對流換熱熱阻1/K3采用下式計算:

(3)

式中:c為年均風速。

4)每平方米絕熱層的熱損失量Q

(4)

式中:T為管道外表面溫度;Ta為環境溫度。

2.2.2 費用計算[5]

1)硅酸鈣投資成本Cinv

Cinv=PV

(5)

(6)

式中:W為管道支架上的硅酸鈣總寬度;V為硅酸鈣體積;P為每立方米硅酸鈣價格。

2)年電價損失Le

年電價損失是管道每年損失的熱量所轉化成為潛在電能的價值。計算熱量損失中的面積為鋼制支架和硅酸鈣接觸的圓弧面面積,圓弧所對的圓心角為120°。

Le=φPeS

(7)

S=μπ(D+2δ)W

(8)

式中:φ為每平米絕熱層熱量損失轉化后的年損失電量;S為熱量損失表面積;Pe為上網電價;μ為散熱面在圓弧面的面積比例,即1/3。

3)壽命期凈現值Δ

(9)

式中:i為銀行年貸款利率,取0.05。

4)壽命期節約費用φ

(10)

式中:Cinv,0為硅酸鈣厚度為0時的硅酸鈣成本,文中該值為0;Le,0為硅酸鈣厚度為0時熱量損失量折合成的電價。

2.2.3 計算過程

控制硅酸鈣的厚度,每次遞增10 mm,通過計算25年節約費用,取最大值對應的硅酸鈣厚度為最優厚度平衡點。

2.3 最優隔熱層厚度的影響參數

最優硅酸鈣厚度是硅酸鈣投資成本Ii和散熱損失Le的平衡點。

散熱損失只與散熱表面積S以及每平米絕熱層的熱損失量Q有關。由于每種支架對應的圓心角均為120°,所以散熱表面積S僅與管徑D、硅酸鈣厚度以及硅酸鈣寬度L有關,各部分與散熱損失的關系如下所示。

1)管徑D

管徑D對硅酸鈣保溫層的導熱熱阻有影響,當厚度一定時,管徑越小,熱阻越大;另一方面,當厚度一定時,大管徑管道的硅酸鈣體積比小管徑大。兩種關系中,前者是對數關系,而后者是平方關系,因此可以斷定管徑D對硅酸鈣的厚度有影響,且小管徑管道的最優硅酸鈣厚度比大管徑管道小。

2)硅酸鈣寬度L

硅酸鈣寬度影響散熱損失,和散熱表面積S之間是線性關系,同時L也影響硅酸鈣的投資成本,和體積之間也是線性關系。在計算平衡點時,散熱損失和硅酸鈣投資成本分居等式兩側,因此硅酸鈣寬度L對硅酸鈣厚度無影響。

3)導熱系數λ1、λ2和風速c

導熱系數λ1、λ2和風速c分別影響三個熱阻。整個傳熱過程中存在三個熱阻,由于1/K1比1/K2和1/K3大得多,所以對Q的影響最大。盡管1/K2和c也有影響,但這兩個參數的影響效果很小。

4)硅酸鈣單價和上網電價

硅酸鈣單價直接影響硅酸鈣的投資成本,而上網電價影響電價損失,所以這兩者都會影響硅酸鈣最佳厚度。

同理,管道表面溫度與環境溫度的差值和每平方米的熱量損失成正比,這兩個參數也是影響硅酸鈣最佳厚度的參數,因設計溫度為550 ℃,與現場實際不符,影響較大,進而提出該優化方案的必要性。

綜上所述,影響硅酸鈣最佳厚度的參數有:導熱系數λ1、λ2、風速c、管徑D、硅酸鈣單價P以及上網電價Pe。由于上網電價Pe、風速c為定值,而鋼導熱系數對熱阻的影響又特別小,所以硅酸鈣導熱系數λ1及其價格P成為影響最優厚度的重要因素。

3 優化結果

通過對各管道規格進行技術經濟比較,本項目的優化結果見表2。

表2 技術經濟對比結果

通過表2可以看出:優化結果約為設計院設計厚度的三分之一,硅酸鈣的用量將比原來節約60%～70%,節約成本效果顯著。

4 結 語

以某儲熱型太陽能熱發電項目采用隔熱支架為例,利用傳熱學基本原理,對隔熱層厚度進行優化,針對本項目,給出了各管徑隔熱層合理厚度的推薦值。

考慮到隔熱層費用在支吊架整體占比中較高,因此針對不同的設計溫度,導熱層厚度均需要進行相應的計算核算,避免造成不必要的浪費。優化計算方法可以為同類型項目的隔熱層優化提供參考。